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本帖最後由 SIMON1016 於 2013-2-2 11:07 PM 編輯
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脈衝電鍍及其電源
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脈衝電鍍及其電源 發佈日期：2012-04-17 流覽次數：83
關 鍵 詞：脈衝電鍍,電源,電鍍技術,電鍍鍍層
作 者：侯 進
內 容：
（邯鄲市大舜電鍍設備有限公司，河北邯鄲056106）
中圖分類號：TQ 153 文獻標識碼：A
文章編號：1000-4742（2011）04-0004-06
0 前言
脈衝電鍍是通過槽外控制方法改善鍍層品質的一種強有力的手段，相比于普通的直流電鍍鍍層，
其具有更優異的性能（如耐蝕、耐磨、純度高、導電、焊接及抗變色性能好等），且可大幅節約
稀貴金屬，因此，在功能性電鍍中得到較好的應用。目前脈衝電鍍中所使用的多為方波脈衝。
脈衝電鍍電源能產生方波脈衝電流，它在用於電鍍時並不能得到理想的正方波，而是一種近似於
形的波形，這會影響脈衝電鍍暫態高電位有利作用的充分發揮。脈衝頻率對鍍層結晶也會產生較
大影響，頻率過低，效果不明顯；頻率過高，波形畸變程度大，甚至脈衝電流會變成直流電流。
脈衝電鍍電源的正確使用（如設備安裝、設備選型、參數選擇等）對脈衝波形、設備可靠性、
衝電鍍優越性的正常發揮等均產生重要影響。
1 脈衝電鍍的基本原理
常見的脈衝電流波形有方波、三角波、鋸齒波、階梯波等。根據確定脈衝波形的幾點原則（如實
鍍效果、便於分析和研究、易於獲得和調控、便於推廣等），方波是最符合要求的脈衝波形。
典型的方波脈衝波形，如圖1所示。由圖1可知：脈衝電流實質上是一種通斷的直流電。
1.1 脈衝電鍍的基本參數
傳統的直流電鍍只有電流或電壓可供調節，而脈衝電鍍有脈衝電流密度（或峰值電流密度）Jp、
脈衝導通時間ton和脈衝關斷時間toff3個獨立的參數。由ton和toff可以引出脈衝占空比γ。
（1）脈衝占空比γ計算公式
脈衝占空比γ指脈衝導通時間ton占整個脈衝週期（ton+toff）的百分比，可用下式表示：
（2）平均電流密度Jm、峰值電流密度Jp、脈衝占空比γ關係式
在一個脈衝週期內，由於電流只在部分時間（ton）導通，而其他時間（toff）為零，
因此，脈衝電鍍的電流密度有平均電流密度和峰值電流密度之分。
平均電流密度Jm等於峰值電流密度Jp與脈衝占空比γ的乘積，可用下式表示：
由式（2）可以看出：Jm一定時，Jp會根據γ的不同而改變。
1.2 脈衝電鍍過程
（1）在脈衝導通期ton內
峰值電流密度相當於普通直流電流密度（或平均電流密度）的幾倍甚至十幾倍。
高的電流密度所導致的高過電位使陰極表面吸附的原子的總數高於直流電沉積的，
其結果使晶核的形成速率遠遠大於原有晶體的生長速率，從而形成具有較細晶粒結構的沉積層。
（2）在脈衝關斷期toff內 高的過電位使陰極附近的金屬離子以極快的速度被消耗，
當陰極介面金屬離子的品質濃度為零或很低時，電沉積過程進入關斷期。
在關斷期內，金屬離子向陰極附近傳遞從而使擴散層中金屬離子的品質濃度得以回升，
並有利於在下一個脈衝週期使用較高的峰值電流密度。
脈衝電鍍過程中，當電流導通時，電化學極化增大，陰極區附近金屬離子被充分沉積；
當電流關斷時，陰極區附近放電離子又恢復到初始的品質濃度，濃差極化消除，
並伴有對沉積層有利的重結晶、吸脫附等現象。
這樣的過程週期性的貫穿於整個電鍍過程的始末，其中所包含的機理構成了脈衝電鍍的最基本原理。
2 脈衝電鍍的優越性及適用性
2.1 鍍層結晶細緻
在脈衝導通期內，由於使用較高的電流密度，使晶核的形成速率遠遠大於原有晶體的生長速率，
因此可形成結晶細緻的鍍層。鍍層結晶細緻則密度大、硬度高、孔隙率低，
即：大大提高鍍層的耐蝕、耐磨、焊接、韌性、導電率、抗變色性，降低鍍層的粗糙度，
這對於功能性電鍍來說尤其重要。
所以，脈衝電鍍主要適用於功能性電鍍領域，改善鍍層的各項功能性指標，從而滿足鍍件在不同情況下較高的使用要求。
2.2 改善鍍液分散能力
在脈衝關斷期內，陰極區域溶液中導電離子的品質濃度會得到不同程度的回升，溶液電阻率減小，則分散能力改善。
因此，脈衝電鍍所得的鍍層均勻性好。這不僅有利於功能性電鍍，對於某些高要求的裝飾性電鍍也非常重要
（如大尺寸工件的裝飾性鍍金、銀等），脈衝電鍍分散能力好的特點可使工件表面鍍層的顏色均勻一致、品質穩定。
所以，在某些高要求的裝飾性電鍍中，採用脈衝電鍍是有積極意義的。但對於常規的防護-裝飾性電鍍，
如自行車、緊固件電鍍等，則沒有必要採用脈衝電鍍。
2.3 提高鍍層純度
在脈衝關斷期內，會產生一些對沉積層有利的吸脫附現象。
例如：脈衝導通期內吸附於陰極表面的不溶性雜質（含光亮劑）在關斷期內脫附返回溶液中，
從而可得到純度高的鍍層。鍍層純度高，可使鍍層的某些功能性大大提高，
如脈衝鍍銀可提高鍍層的焊接、導電、自潤滑、抗變色等性能，
這在軍工、電子、航空航太等領域的鍍銀生產中是難能可貴的。
2.4 鍍層沉積速率加快
脈衝關斷期內金屬離子的品質濃度的回升降低了濃差極化，有利於提高陰極電流效率和陰極電流密度，
從而提高鍍速。脈衝電鍍的這種優越性，可用於某些對鍍層沉積速率要求較快的電鍍生產
（如電子線材的卷至卷連續電鍍）。
但對於普通的電鍍生產，若選擇脈衝電鍍的目的單純是為了提高生產效率，則似乎有些不太合適。
2.5 消除或減輕鍍層氫脆
脈衝導通期內陰極表面吸附的氫在關斷期內從陰極表面脫附，鍍層氫脆消除或減輕，物理性能得到改善。
鍍層氫脆減小，工件的抗斷裂強度提高，這對機械強度要求較高的產品有著重要的意義。
3 週期換向脈衝電鍍
3.1 基本原理
週期換向脈衝電鍍又稱雙向脈衝電鍍。典型的週期換向脈衝電流波形，如圖2所示。
在正向脈衝之後引入反向脈衝，正向脈衝比反向脈衝持續時間長，反向脈衝幅度通常大於正向脈衝的。
大幅度、短時間的反向脈衝所引起的高度不均勻陽極電流密度分佈可使鍍層凸處被強烈溶解而整平。
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週期換向脈衝電鍍與單脈衝電鍍相比，具有以下優越性：
（1）反向脈衝可有效改善鍍層的厚度分佈，鍍層厚度更均勻，整平性更好；
（2）反向脈衝的陽極溶解使陰極表面金屬離子的品質濃度迅速回升，
這有利於下一個陰極週期使用高的脈衝電流密度，
又使得晶核的形成速率大於生長速率，鍍層緻密度進一步提高；
（3）反向脈衝的陽極剝離使鍍層中有機雜質（含光亮劑）的夾附大大減少，
因而鍍層純度更高，抗變色能力更強，這一點在氰化鍍銀中尤為突出；
（4）反向脈衝使鍍層中夾雜的氫發生氧化，從而可消除氫脆或減小內應力；
（5）週期性的反向脈衝使鍍件表面一直處於活化狀態，因此可得到結合力好的鍍層；
（6）反向脈衝有利於減薄擴散層的實際厚度，提高陰極電流效率，
因此合適的脈衝參數會使鍍層的沉積速率進一步加快。
3.2 電流波形
週期換向脈衝電流的波形一般有以下幾種：
3.2.1 有關斷時間的單個脈衝換向
一個正向脈衝之後緊接著一個反向脈衝，其波形，如圖3所示。
這種波形兼有脈衝和換向的優點，但缺點是調節參數時，
正、反向脈衝的導通、關斷時間選擇與正、反向脈衝的持續時間選擇發生衝突。
因此，這種形式若作為槽外控制改善鍍層品質的手段，其功能極不完善，在實際生產中極少應用。
3.2.2 無關斷時間的單個脈衝換向
一個無關斷時間的正向脈衝後緊接著一個無關斷時間的反向脈衝，其波形，如圖4所示。
正、反向脈衝持續時間通常在ms級，（如正向20 ms,反向1 ms），
這種波形通常也稱為方波交流電，與普通正弦波交流電波形相異，但頻率大致相同，約50 Hz左右。
這種波形正向脈衝持續時間長、幅度小，反向脈衝持續時間短、幅度大，
其反向脈衝的不均勻電流密度分佈補償作用較明顯，改善鍍層厚度分佈的效果較明顯。
其適用於對鍍層均勻性要求較高的電鍍場合（如印刷線路板鍍銅，可明顯縮小孔內、外鍍層厚度比）。
但因其脈衝無關斷時間，且頻率較低，改善鍍層結晶的效果尚不理想，
因此不宜用於（尤其對鍍層結晶要求較高的）貴金屬電鍍。
3.2.3 脈動脈衝換向
一組正向脈衝之後緊接著一組反向脈衝，即：正、反向脈衝均為群波而非單個波形，其波形，如圖2所示。
這種波形為典型的週期換向脈衝波形，在功能性電鍍生產中應用最廣泛。
相對於有關斷時間的單個脈衝換向，
克服了正、反向脈衝的導通、關斷時間選擇與正、反向脈衝的持續時間選擇發生衝突的缺點。
相對於無關斷時間的單個脈衝換向，其克服了脈衝無關斷時間、改善鍍層結晶不理想的缺點。
所以，脈動脈衝換向同時具有改善鍍層厚度分佈和改善鍍層結晶狀況的雙重效果。
3.2.4 多組脈衝換向
多組脈衝換向簡稱多脈衝，其波形，如圖5所示。它是在脈動脈衝換向的基礎上增加可編程式功能，
在每一個程式或時段內採用的脈衝參數可各不相同。
而普通的脈動脈衝換向，其各項參數調節好後，直到電鍍過程結束，便不再改變。
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多組脈衝換向的優點如下：
（1）各層間應力相互抵消，鍍層脆性下降，抗疲勞強度增強；
（2）各層間多次重疊，則鍍層孔隙率降低，緻密性、耐蝕性提高；
（3）各層間組分不同，有可能產生奇異的效果。
4•脈衝電鍍電源
脈衝電鍍電源是產生脈衝電流的電源，它一般先由基礎直流電源產生低紋波直流電流，
然後再通過功率器件斬波形成脈衝電流。斬波電路可採用可控矽電子開關電路和電晶體轉換開關電路等。
4.1 脈衝電鍍電源的波形
圖1為理想的方波脈衝電流波形，但由於受脈衝電鍍電源內部電感、電容等器件及外加負載的影響，
實際應用中的脈衝波形不可能如圖1所示。
實際脈衝電鍍中的電流波形近似於梯形，可簡單地用圖6中的波形來表示。
在電鍍體系中，電極/溶液介面間的雙電層近似於一個平板電容器，板間具有很高的電容。
當向該電鍍體系施加脈衝電流時，必須首先給雙電層充電。
雙電層充滿電（脈衝電流密度從零增至峰值）需要一定的時間tc,脈衝電流密度不可能從零垂直增至峰值，
而是需要一定的“爬坡”。“爬坡”所需要的時間可簡單地視作脈衝的上升時間
（確切的脈衝上升時間定義：脈衝電流密度由峰值電流密度的10 %上升到90 %所需要的時間），
上升時間也稱作“上升沿”、“前沿”、“上沖”等。
當脈衝電流密度“爬坡”至峰值並持續一段時間tb後，開始進入關斷期。
進入關斷期後，脈衝電鍍電源雖然停止向該電鍍體系供電，
但雙電層放電（從滿電釋放至零）會使電流維持一段時間td。
所以，此時脈衝電流密度不可能從峰值垂直下降至零，而是需要一定的“下坡”。
“下坡”所需要的時間可簡單地視作脈衝的下降時間
（確切的脈衝下降時間定義：脈衝電流密度由峰值電流密度的90 %下降到10 %所需要的時間），
下降時間也稱作“下降沿”、“後沿”、“下沖”等。
正是由於脈衝前、後沿的客觀存在，使實際脈衝電鍍中的電流波形不可能是理想的方波，
而是一種不規則的近似於梯形的波形。
目前尚無法確知前、後沿對鍍層品質的影響有多大，
但可確知其存在會使脈衝電鍍暫態高電位的有利作用得不到充分發揮。
所以，脈衝電鍍中總是要求脈衝前、後沿盡可能小，一般要求前沿20~100μs,後沿30~100μs。
其實，不應只要求前、後沿大小，避免前、後沿大於（或等於）導通、關斷時間也很必要。
否則，若前沿（遠）大於導通時間，後沿（遠）大於關斷時間，
則鍍槽內只能得到在平均電流附近變化的脈衝電流，
即：脈衝電流實際變成了直流電流，其波形，如圖7所示。
4.2 脈衝電鍍電源的頻率
一般高頻脈衝定義為頻率大於5 000 Hz,低頻為頻率小於500 Hz,中頻則在500~5 000 Hz之間。
用於電鍍的脈衝電源多屬於中頻類型[2]。當使用頻率較低的脈衝電源時，其改善鍍層品質的效果會稍差。
所以，低頻脈衝電源多用於陽極氧化或其他工藝，而較少用於電鍍，尤其是貴金屬電鍍。
當使用頻率較高的脈衝電鍍電源時，脈衝前、後沿極易對導通、關斷時間造成嚴重影響，
從而影響脈衝電鍍暫態高電位有利作用的充分發揮。
例如：脈衝鍍金，頻率5 000 Hz（此時脈衝週期0.2 ms），占空比20 %,則導通時間為40μs,
此時，假設脈衝前沿為最小的20μs（實際可能更大），則其比例至少占到了導通時間的50 %;
若頻率大於5 000 Hz,占空比小於20 % （脈衝鍍金時占空比很多時候選10 %），
則前沿占導通時間的比例會更大，甚至前沿會大於導通時間，
如此，脈衝電鍍改善鍍層結晶的作用肯定會受到嚴重影響。實際脈衝電鍍貴金屬生產中，頻率多在1 000 Hz左右。
當使用頻率更高的脈衝電源（上萬或幾萬Hz）時，其輸出的電流多是如圖7所示的電流波形，
實質是一種直流電流，與能夠改善鍍層結晶的方波脈衝電流有本質的區別。
4.3 脈衝電鍍電源使用注意事項
（1）脈衝電鍍電源與鍍槽間導體的連接[2]
脈衝電鍍電源與鍍槽間連線的電感阻滯了電流變化，導致通過鍍槽的脈衝電流上升時間延緩，引起脈衝波形畸變。
採用短、粗、根數多的電纜線，且陰、陽極電纜線相絞而用，
可儘量抵消電感效應，減小脈衝波形失真度，提高鍍層品質。
連線一般要求不超過2 m,這使得脈衝電鍍電源距離鍍槽較近，從而增加了電源受腐蝕的幾率，
使設備可靠性降低（脈衝電源比普通電源更不耐腐蝕）。
比較可行的做法是，將脈衝電源與鍍槽隔牆放置，或做有機玻璃罩將其罩住。
脈衝電流產生的熱量比平均電流的大，但比峰值電流的小，相當於均方根電流產生的熱量。
均方根電流為峰值電流乘以平均電流開根號。
脈衝電鍍電源與鍍槽間連線的截面積需根據通過的均方根電流確定。
例如：某脈衝電鍍電源最大均方根電流為50 A,則連線可選截面積為20 mm2的銅電纜線
（每mm2的銅線通過的電流值可取2.5 A）。
（2）脈衝電鍍電源規格型號的選擇
一般脈衝電鍍電源在規格型號中標明的是峰值電流，例如：SMD-500型脈衝電鍍電源，其最大峰值電流為500 A。
峰值電流尚難以作為選擇脈衝電鍍電源規格的依據。
一般，先根據實際需要的電流確定脈衝電鍍電源的平均電流，再根據使用的占空比確定峰值電流。
例如：實際需要的最大電流為10 A,使用的最大占空比為20 %,
則選擇最大峰值電流為10 A/20 %=50 A的脈衝電鍍電源即可。
（3）脈衝電流的使用或選擇
一般選擇脈衝平均電流與使用直流電流時一樣或稍大。
例如：直流鍍時使用電流10 A,則脈衝鍍時平均電流也選10 A或稍大（此時不考慮占空比大小）。
脈衝平均電流顯示在電源面板的電流錶上。週期換向脈衝電流的選擇比單脈衝的複雜些。
正向脈衝平均電流的選擇與單脈衝時一樣，即：與使用直流電流時一樣或稍大。
但反向脈衝平均電流卻不能如此選，其在反向峰值電流是正向峰值電流1~2倍的情況下通過計算倒推得出
（方法可參見相關廠家的產品說明書）。
4.4 常見脈衝電鍍電源類型
常見的脈衝電鍍電源主要有以下幾種類型：
（1）單脈衝電鍍電源
輸出導通時間和關斷時間可調的單向正方波，波形如圖1所示。
一般為中頻可調，占空比為0 %~100 %可調。當占空比為100 %時，脈衝電流變成直流電流。
（2）雙脈衝電鍍電源
即週期換向脈衝電鍍電源，輸出波形如圖2所示。
另外，還可輸出屬於雙向功能的單個脈衝換向、無關斷時間的單個脈衝換向、
直流與脈衝換向及屬於單向功能的單脈衝和直流、直流疊加脈衝、間斷脈衝等波形。
頻率和占空比調節範圍與單脈衝電鍍電源的大致相同。
（3）多脈衝電鍍電源
即多組換向脈衝電鍍電源，主要迴圈輸出多組脈寬、頻率、幅值、換向時間、
持續時間等參數各不相同的直流、單向或週期換向脈衝電流，波形如圖5所示。
（4）電腦控制多脈衝電鍍電源
在多脈衝電鍍電源的基礎上增加電腦全自動控制和過程監控，
可實現動態畫面顯示、資料庫管理（資料存儲、查詢、列印等）、系統自動保護、聲光報警及資訊提示等功能。
5 結語
隨著電鍍技術的不斷發展，脈衝電鍍的適用範圍進一步擴大，
如脈衝納米電沉積、脈衝陽極氧化、脈衝電解回收、脈衝電化學拋光、脈衝電化學加工等，
從而使這項先進技術呈現出更大的活力。
參考文獻：
[1]侯進。淺談脈衝電鍍電源[J].電鍍與環保，2005,25（3）：28-30.
[2]向國樸。脈衝電鍍的理論與應用[M].天津：天津科學技術出版社，1989:122-124.
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發表於 2013-2-2 03:36:10
看看就好
樓主